WO2013122137A1 - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

　水力発電装置は、外周にらせん翼（３０）が設けられた中空軸（３２）と、発電機（４０）と、変速機（５０）とを備える。中空軸（３２）は、らせん翼（３０）に向かう水流によって回転するように、固定軸（２０）により回転可能に支持される。発電機（４０）は、中空軸（３２）の内部に設けられる。変速機（５０）は、中空軸（３２）の内部に設けられ、中空軸（３２）からの駆動力を発電機（４０）のロータ（４２）に伝達する。

Description

水力発電装置

　本発明は、水力発電装置に関し、特に、らせん翼が設けられた水力発電装置に関する。

　一般的には、大規模なダムを建設して数ＭＷ～数千ＭＷの大電力を発生させる水力発電が知られている。このような大規模な水力発電以外にも、比較的小落差あるいは小水量の水流を利用して１００ｋＷ以下の発電を行なう小水力発電がある。小水力発電用の水車には、大型の水力発電と同様のペルトン水車、フランシス水車またはカプラン水車を小型化した水車が用いられる。その他、中規模以下の水力発電に適したクロスフロー水車またはバルブ水車などが用いられる。これらの水車を用いた水力発電では、閉鎖された水路を設けて水流を水車に導く必要がある。

　一方、発電規模はさらに小さくなるが、農業用水路のような開水路に設置するタイプの水車として上掛け水車、下掛け水車、らせん水車などがある。特に下掛け水車とらせん水車を用いれば、１ｍ前後、あるいは１ｍ以下の低落差で発電が可能となる。

　特開２００９－２２１８８２号公報（特許文献１）、特開２００７－１５４８６２号公報（特許文献２）、特開昭６３－５７８７４号公報（特許文献３）、大正１４年実用新案出願公告第９３５６号公報（特許文献４）は、らせん水車に関する技術を開示する。

特開２００９－２２１８８２号公報 特開２００７－１５４８６２号公報 特開昭６３－５７８７４号公報 大正１４年実用新案出願公告第９３５６号公報

　例えば、特開２００９－２２１８８２号公報の図１に示されるように、らせん水車を用いた水力発電装置は、発電機と、らせん水車からの駆動力を発電機に伝達するためのシャフトおよび増速機とを備える。したがって、水力発電装置を設置する際には、らせん水車を設置する場所に加えて、発電機、シャフトおよび増速機を設置する場所を確保する必要がある。特に通常の発電機や増速機は水没を想定した設計とはなっていないため水面より上方に設置する必要があり、水車本体とこれらの機器を連結するシャフトは十分に長くなければならない。しかしながら、らせん水車を用いた水力発電装置は、農業用水路のような狭い空間に設置することが想定されているため、水力発電装置を小さく構成することが望ましい。

　本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、水力発電装置を小型化することである。

　ある実施例において、水力発電装置は、外周にらせん翼が設けられ、らせん翼に向かう水流によって回転する中空軸と、中空軸の内部に設けられた発電機と、中空軸の内部に設けられ、中空軸からの駆動力を発電機に伝達する伝達部材とを備える。

　この構成によると、発電機と伝達部材とが中空軸内に収められている。そのため、水力発電装置の大きさを、中空軸の大きさと同等にできる。その結果、水力発電装置を小型化できる。

　別の実施例において、水力発電装置は、回転不能に固定され、中空軸を軸方向に貫通する固定軸をさらに備える。発電機は、伝達部材に連結されたロータと、固定軸に固定されたステータとを含む。

　この構成によると、中空軸を支持する軸と、発電機を支持する軸とに共通の固定軸が用いられる。これにより、水力発電装置の構成を簡素化できる。

　さらに別の実施例において、伝達部材は、変速機である。
　この構成によると、変速機により、中空軸の回転速度を所望の速度に変えて、発電機に伝達できる。

　さらに別の実施例において、変速機の変速比は、１よりも小さい。
　この構成によると、中空軸の回転速度を増速して発電機に伝達できる。

　さらに別の実施例において、変速機は、遊星歯車を含む。
　この構成によると、遊星歯車を用いることにより、変速機の軸心と、中空軸の軸心とを同じにできる。そのため、水力発電装置を小型化できる。

　さらに別の実施例において、変速機は、複数の遊星歯車を含む。
　この構成によると、複数の遊星歯車を用いることにより、中空軸の回転速度を大きく増速あるいは減速して、発電装置に伝達できる。

　さらに別の実施例において、変速機は、トラクションドライブを含む。
　この構成によると、滑らかな回転を特徴とするトラクションドライブを用いることにより、回転振動を低減できる。

　さらに別の実施例において、変速機は、複数のトラクションドライブを含む。
　この構成によると、複数のトラクションドライブを用いることにより、中空軸の回転速度を大きく増速あるいは減速して、発電装置に伝達できる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、中空軸の上流側端部の外径よりも広い範囲で中空軸の上流側端部を封止する第１の封止部材と、中空軸の下流側端部の外径よりも狭い範囲で中空軸の下流側端部を封止する第２の封止部材とをさらに備える。

　この構成によると、上流側端部では第１の封止部材により中空軸を覆い、下流側端部では中空軸により第２の封止部材を覆うことで、中空軸内部へ水が浸入し難くできる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、回転不能に固定され、中空軸を軸方向に貫通する固定軸と、中空軸の上流側端部において、固定軸と中空軸との間に設けられたオイルシールと、中空軸の下流側端部において、固定軸と中空軸との間に設けられた接触シール付軸受とをさらに備える。

　この構成によると、発電機および伝達部材に近い上流側端部では、発電機および伝達部材付近への水の浸入をオイルシールによって防ぐことができる。発電機および伝達部材から遠い下流側端部では、接触シール付軸受によってある程度の水の浸入を防ぎつつも、防水性を落とすことによって摩擦抵抗を小さくすることができる。

　さらに別の実施例において、らせん翼の表面には、摩擦係数を低下させる撥水処理が施されている。

　この構成によると、らせん翼と水との摩擦抵抗による水のエネルギー損失が低減する。
　さらに別の実施例において、らせん翼の表面に撥水性を有する膜を形成する被膜処理を含む。

　この構成によると、らせん翼の表面が撥水性を有する膜で覆われているため、らせん翼と水との摩擦抵抗を低減することができる。

　さらに別の実施例において、被膜処理は、フッ素樹脂コーティング処理を含む。
　この構成によると、らせん翼の表面が撥水性に優れるフッ素樹脂膜で覆われているため、らせん翼と水との摩擦抵抗をより低減することができる。

　さらに別の実施例において、被膜処理は、シリコーン樹脂コーティング処理を含む。
　この構成によると、らせん翼の表面が撥水性に優れるシリコーン樹脂膜で覆われているため、らせん翼と水との摩擦抵抗をより低減することができる。

　さらに別の実施例において、被膜処理は、ダイヤモンドライクカーボンコーティング処理を含む。

　この構成によると、らせん翼の表面が撥水性に優れるダイヤモンドライクカーボン（Diamond-like　Carbon：ＤＬＣ）膜で覆われているため、らせん翼と水との摩擦抵抗をより低減することができる。また、ＤＬＣ膜は硬度が高いため、水や、砂等の異物の衝突に対して、優れた耐摩耗性、耐久性を発揮する。

　さらに別の実施例において、撥水処理は、らせん翼の表面に撥水性を発現する微細な凹凸形状を形成させる処理を含む。

　この構成によると、らせん翼の表面をフラクタル面のような微細な凹凸を多数有する表面形状とすることで、より優れた撥水性を得ることができる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、上記のらせん水車と、当該らせん水車に連結される発電機とを備える。

　この構成によると、回転効率の高いらせん水車を適用することにより、水力発電装置の発電効率を向上させることができる。

　さらに別の実施例において、伝達部材の表面には、摩擦係数を低下させる被膜処理が施されている。

　この構成によると、水力発電装置の長期運転による潤滑油の枯渇や中空軸内部への水の浸入の影響により伝達部材の潤滑性が低下したとしても、伝達部材の表面に形成された膜により、伝達部材が直接接触することを防ぐことができ、摩擦による伝達部材の損傷を軽減させることができる。また、これによりメンテナンス周期を長くすることもできる。

　さらに別の実施例において、伝達部材は、変速機である。
　この構成によると、変速機により、中空軸の回転速度を所望の速度に変えて、発電機に伝達できる。

　さらに別の実施例において、変速機は、歯車を含む。
　この構成によると、歯車を用いることにより、一方の軸から他方の軸へ滑りなく動力を伝達することができる。

　さらに別の実施例において、歯車は、遊星歯車を含む。
　この構成によると、遊星歯車を用いることにより、変速機の軸心と、中空軸の軸心とを同じにできる。そのため、水力発電装置を小型化できる。

　さらに別の実施例において、被膜処理は、少なくとも遊星歯車のプラネットギヤの表面に施されている。

　この構成によると、少なくともプラネットギヤの表面に、摩擦係数を低下させる被膜処理を施しておけば、サンギヤとリングギヤに被膜処理を施していなくても、直接金属同士が接触することはない。したがって、必要な箇所に効果的に被膜処理を施すことで工数の低減およびコストの低減を図ることができる。

　さらに別の実施例において、被膜処理は、ダイヤモンドライクカーボンコーティング処理を含む。

　この構成によると、低摩擦性に優れているダイヤモンドライクカーボン（Diamond-like　Carbon：ＤＬＣ）膜を介した接触となるため、伝達部材の損傷をより軽減することができる。

　さらに別の実施例において、被膜処理は、フッ素樹脂コーティング処理を含む。
　この構成によると、低摩擦性に優れているフッ素樹脂膜を介した接触となるため、伝達部材の損傷をより軽減することができる。

　さらに別の実施例において、被膜処理は、シリコーン樹脂コーティング処理を含む。
　この構成によると、低摩擦性に優れているシリコーン樹脂膜を介した接触となるため、伝達部材の損傷をより軽減することができる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、中空軸を軸方向に貫通し、回転不能に固定された固定軸と、固定軸に対して中空軸を回転可能に支持する軸受とをさらに備える。軸受は、耐腐食性を有する。

　この構成によると、中空軸内部に水が浸入したとしても、軸受が耐腐食性を有することから、らせん水車の軸は滑らかな回転を維持することができる。したがって、水力発電装置は、発電効率を落とすことなく長期的に安定した発電が可能となる。

　さらに別の実施例において、軸受は、内輪および外輪からなる軌道輪と、内輪および外輪間に介在する転動体とを含む転がり軸受である。

　この構成によると、保守性、互換性に優れる転がり軸受を適用することにより、メンテナンスコストを抑制することができる。

　さらに別の実施例において、軌道輪は、ステンレス鋼からなる。
　この構成によると、転がり軸受の軌道輪の耐腐食性をより向上させることができる。

　さらに別の実施例において、転動体は、窒化ケイ素からなる。
　この構成によると、転動体の耐腐食性をより向上させることができる。なお、軌道輪はステンレス鋼からなり、転動体は窒化ケイ素からなるハイブリッド軸受としてもよい。これにより、耐腐食効果を高めるとともに、部分的に窒化ケイ素のようなセラミックス材料を適用することで、軸受の軽量化を図ることができる。

　さらに別の実施例において、中空軸は、らせん翼が設けられた部位において、下流ほど直径が減少するように形成される。

　この構成によると、水の出口付近では、中空軸の断面積が小さくされる。そのため、水が流れる空間の断面積を大きくできる。よって、水に対する抵抗を下げ、流速の低下量を小さくできる。その結果、発電効率が良いらせん水車を提供できる。

　別の実施例において、中空軸は、らせん翼の１ピッチ以上の部位において、直径が減少するように形成される。

　この構成によると、らせん翼の１ピッチ以上の部位において直径を小さくし、水に対する抵抗を下げることができる。

　さらに別の実施例において、中空軸は、発電機よりも下流の部位において、直径が減少するように形成される。

　この構成によると、発電機を収容する必要がない部位において直径を小さくし、水に対する抵抗を下げることができる。

　さらに別の実施例において、中空軸の直径は、段階的に減少する。
　この構成によると、中空軸の直径を、下流ほど段階的に減少させて、水に対する抵抗を下げることができる。

　さらに別の実施例において、中空軸の直径は、連続的に減少する。
　この構成によると、中空軸の外周を連続する曲面とすることにより、らせん翼と中空軸との接合を容易にできる。

　さらに別の実施例において、中空軸を備える水車が水路に設置される。水力発電装置は、水路の水量を検出する第１の検出器と、発電機から供給される電力を検出する第２の検出器と、水車の回転速度を検出する第３の検出器と、第１の検出器、第２の検出器および第３の検出器の検出結果を送信する送信機とを備える。

　この構成によると、水車の状態を解析するための情報として、水路の水量、発電機から供給される電力、ならびに水車の回転速度を、水車が設置された場所から離れた場所に伝達することができる。

　さらに別の実施例において、第１の検出器は、水路の水量を、水車よりも上流において検出する。

　この構成によると、水車よりも上流において水力を検出することにより、水車に向かう水量を計測することができる。

　さらに別の実施例において、第１の検出器は、水量を表す値として、水位を検出する。
　この構成によると、水量よりも計測が容易な水位を計測することにより、水力発電装置の構成を簡素化することができる。

　さらに別の実施例において、中空軸を備える水車が水路に設置される。水力発電装置は、水車よりも上流の水量および水車よりも下流の水量を検出する第１の検出器と、発電機から供給される電力を検出する第２の検出器と、第１の検出器および第２の検出器の検出結果を送信する送信機とを備える。

　この構成によると、水車の状態を解析するための情報として、水車よりも上流の水量、水車よりも下流の水量、ならびに発電機から供給される電力を、水車が設置された場所から離れた場所に伝達することができる。

　さらに別の実施例において、第１の検出器は、水量を表す値として水位を検出する。
　この構成によると、水量よりも計測が容易な水位を計測することにより、水力発電装置の構成を簡素化することができる。

　さらに別の実施例において、第１の検出器は、水車よりも下流では、水車の端部の水位を検出する。

　この構成によると、水車の下流の水位と水車の上流の水位との差は、水車から離れるにつれ小さくなり、回転不足の水車が水の流れを妨げて下流の水位が低下しても、水位の低下が反映され難くなるため、水車よりも下流では、水車の端部の水位が検出される。これにより、水車の回転速度の低下に起因する水位の低下を確実に計測することができる。

　さらに別の実施例において、水路は、水車を設置するために設けられた専用の水路である。

　この構成によると、専用の水路に水車が設けられた場合、回転不足の水車が水の流れを妨げると、水車の下流の水位が、回転不足の水車によって妨げられた水量に応じて低下するため、水車の回転抵抗の増加を上流の水位と下流の水位との差として顕著に表すことができる。

　さらに別の実施例において、水力発電システムは、水力発電装置と、送信機から第１の検出器、第２の検出器および第３の検出器の検出結果を受信し、水路の水量、発電機から供給される電力および水車の回転速度に応じて警報を発する監視装置とを備える。

　この構成によると、水車の状態を解析するための情報として、水路の水量、発電機から供給される電力、ならびに水車の回転速度を、水車が設置された場所から離れた場所に伝達することができる。水路の水量、発電機から供給される電力および水車の回転速度から判断して、水車にごみが堆積するなどして回転抵抗が増しているといえる場合には、水車を管理する作業員などに異常を報知することができる。

　さらに別の実施例において、第１の検出器は、水路の水量を、水車よりも上流において検出する。

　この構成によると、水車よりも上流において水力を検出することにより、水車に向かう水量を計測することができる。

　さらに別の実施例において、第１の検出器は、水量を表す値として、水位を検出する。
　この構成によると、水量よりも計測が容易な水位を計測することにより、システムの構成を簡素化することができる。

　さらに別の実施例において、水力発電システムは、水力発電装置と、送信機から第１の検出器および第２の検出器の検出結果を受信し、水車よりも上流の水量と水車よりも下流の水量との差から水車の回転状態を推定し、水車よりも上流の水量、発電機から供給される電力および水車の回転状態に応じて警報を発する監視装置とを備える。

　この構成によると、水車の状態を解析するための情報として、水車よりも上流の水量、水車よりも下流の水量、ならびに発電機から供給される電力を、水車が設置された場所から離れた場所に伝達することができる。水車よりも上流の水量、水車よりも下流の水量、ならびに発電機から供給される電力から判断して、水車にごみが堆積するなどして回転抵抗が増しているといえる場合には、水車を管理する作業員などに異常を報知することができる。

　さらに別の実施例において、第１の検出器は、水量を表す値として水位を検出する。
　この構成によると、水量よりも計測が容易な水位を計測することにより、システムの構成を簡素化することができる。

　さらに別の実施例において、第１の検出器は、水車よりも下流では、水車の端部の水位を検出する。

　この構成によると、水車の下流の水位と水車の上流の水位との差は、水車から離れるにつれ小さくなり、回転不足の水車が水の流れを妨げて下流の水位が低下しても、水位の低下が反映され難くなるため、水車よりも下流では、水車の端部の水位が検出される。これにより、水車による水位の低下を確実に計測することができる。

　さらに別の実施例において、水路は、水車を設置するために設けられた専用の水路である。

　この構成によると、専用の水路に水車が設けられた場合、回転不足の水車が水の流れを妨げると、水車の下流の水位が、回転不足の水車によって妨げられた水量に応じて低下するため、水車の回転抵抗の増加を上流の水位と下流の水位との差として顕著に表すことができる。

　さらに別の実施例において、伝達部材は、中空軸の内部において、中空軸の下流側端部と発電機との間に設けられる。

　この構成によると、伝達部材は中空軸内において下流側に設けられているため、伝達部材を潤滑するために液状の潤滑油を用いれば、伝達部材の付近に潤滑油を溜めることができる。よって、伝達部材を好適に潤滑できる。

　さらに別の実施例において、伝達部材は、油浴潤滑される。
　この構成によると、伝達部材を油浴潤滑することにより、伝達部材に潤滑油を十分に供給できる。

　さらに別の実施例において、伝達部材は、生分解性の潤滑油によって油浴潤滑される。一例として、潤滑油は、植物油または生分解性合成油である。

　この構成によると、仮に、潤滑油が水力発電装置から水路に漏れたとしても、潤滑油を自然界で分解させることができる。

　さらに別の実施例において、伝達部材は、少なくとも１つの歯車を含み、最も上流に位置する歯車の歯面の下端まで油浴潤滑される。

　この構成によると、必要かつ十分に伝達部材を潤滑できる。
　さらに別の実施例において、伝達部材は、変速機である。

　この構成によると、変速機により、中空軸の回転速度を所望の速度に変えて、発電機に伝達できる。

　さらに別の実施例において、変速機の変速比は、１よりも小さい。
　この構成によると、中空軸の回転速度を増速して発電機に伝達できる。

　さらに別の実施例において、変速機は、遊星歯車を含む。
　この構成によると、遊星歯車を用いることにより、変速機の軸心と、中空軸の軸心とを同じにできる。そのため、水力発電装置を小型化できる。

　さらに別の実施例において、変速機は、複数の遊星歯車を含む。
　この構成によると、複数の遊星歯車を用いることにより、中空軸の回転速度を大きく増速あるいは減速して、発電装置に伝達できる。

　さらに別の実施例において、変速機は、トラクションドライブを含む。
　この構成によると、滑らかな回転を特徴とするトラクションドライブを用いることにより、回転振動を低減できる。

　さらに別の実施例において、変速機は、複数のトラクションドライブを含む。
　この構成によると、複数のトラクションドライブを用いることにより、中空軸の回転速度を大きく増速あるいは減速して、発電装置に伝達できる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、中空軸の上流側端部の外径よりも広い範囲で中空軸の上流側端部を封止する第１の封止部材と、中空軸の下流側端部の外径よりも狭い範囲で中空軸の下流側端部を封止する第２の封止部材とをさらに備える。

　この構成によると、上流側端部では第１の封止部材により中空軸を覆い、下流側端部では中空軸により第２の封止部材を覆うことで、中空軸内部へ水が浸入し難くできる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、回転不能に固定され、中空軸を軸方向に貫通する固定軸と、伝達部材よりも下流において、固定軸と中空軸との間に設けられた接触シール付軸受をさらに備える。

　この構成によると、中空軸の下端部からの水の浸入を、接触シール付軸受によって妨げることができる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、回転不能に固定され、中空軸を軸方向に貫通する固定軸と、伝達部材より下流において、固定軸と中空軸との間に設けられたオイルシールをさらに備える。

　この構成によると、中空軸の下端部からの水の浸入を、発電機および伝達部材付近への水の浸入をオイルシールによって妨げることができる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、回転不能に固定され、中空軸を軸方向に貫通する固定軸をさらに備える。発電機は、伝達部材に連結されたロータと、固定軸に固定されたステータとを含む。

　この構成によると、中空軸を支持する軸と、発電機を支持する軸とに共通の固定軸が用いられる。これにより、水力発電装置の構成を簡素化できる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、中空軸よりも上流に設けられ、中空軸の軸心よりも下方の部位のみに取水口が設けられる枠部材をさらに備える。

　この構成によると、下側のらせん翼に向かう水量を、上側のらせん翼に向かう水量よりも多くできる。そのため、上側のらせん翼に向かう水による回転抵抗を低減できる。そのため、水力発電装置の発電効率を向上できる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、らせん翼よりも径方向において外側に設けられた円筒状の壁部をさらに備える。

　この構成によると、径方向において外側からの水の浸入を円筒状の壁部によって防ぐことができる。よって、らせん翼と中空軸とから構成される水車の回転抵抗の増加を抑制できる。よって、水力発電装置の発電効率を向上できる。

　さらに別の実施例において、壁部は、らせん翼と一体的に形成される。
　この構成によると、らせん翼と壁部との間に隙間を生じさせないようにできる。そのため、水の流出を防ぐことができる。よって、らせん翼と中空軸とから構成される水車を回転させるのに用いられる水の量の低下を抑制できる。よって、水力発電装置の発電効率を向上できる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、取水口の面積以上の面積を有する排水口が設けられた下流側枠部材をさらに備える。

　この構成によると、排水口の面積は取水口の面積以上であるため、らせん翼に向かって流れた水がらせん翼周りに滞留せずに下流に向かって流れることができる。そのため、らせん翼と中空軸とから構成される水車の回転抵抗の増加を抑制できる。よって、水力発電装置の発電効率を向上できる。

　さらに別の実施例において、取水口の下端は解放される。
　この構成によると、取水口にごみなどが堆積することを防ぐことができる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、中空軸の軸方向における端面を封止する蓋部材と、端面と蓋部材との間に設けられたＯリングとをさらに備える。

　この構成によると、水の浸入を防止するためのＯリングが中空軸の軸方向における端面に設けられる。そのため、Ｏリングを中空軸の外周面あるいは内周面に沿って移動させずに、Ｏリングを配置することができる。よって、作業性を良くすることができる。

　さらに別の実施例において、中空軸と蓋部材とは、端面に設けられたネジ穴に挿入されるボルトによって連結される。ネジ穴は、中空軸の軸方向における端部を貫通せず、Ｏリングよりも径方向において外側に設けられる。

　この構成によると、ネジ穴は中空軸の端面を貫通していないため、ネジ穴からの水の浸入を防止することができる。

　さらに別の実施例において、中空軸と蓋部材とは、端面に設けられたネジ穴に挿入されるボルトによって連結される。ネジ穴は、中空軸の軸方向における端部を貫通し、Ｏリングよりも径方向において内側に設けられる。蓋部材とボルトとの間には、シールワッシャが挟み込まれる。

　この構成によると、中空軸の軸方向における端部が薄いなどの理由から、端部をネジ穴が貫通せざるを得なくても、ネジ穴からの水の浸入を、Ｏリングとシールワッシャとにより防ぐことができる。

　さらに別の実施例において、水力発電装置は、中空軸の軸方向における端面において、中空軸を回転可能に支持する蓋部材をさらに備える。

　この構成によると、中空軸を外側から支持するので、中空軸の端面に開口を設けないようにできる。そのため、防水性が向上する。

水力発電装置の概略構成図である。 らせん水車の断面図を示す図である。 変速機のスケルトン図である。 水力発電装置の変形例１を示す図である。 水力発電装置の変形例２を示す図である。 らせん翼の表面状態の一例を示す概略図（その１）である。 らせん翼の表面状態の一例を示す概略図（その２）である。 遊星歯車の表面状態の一例を示す概略図である。 耐腐食性を有する軸受を有するらせん水車の断面図を示す図である。 軸受の構成の一例を示す概略断面図である。 水力発電装置の概略構成図である。 らせん水車の断面図を示す図である。 らせん水車を上流側から見た側面図である。 らせん水車を下流側から見た側面図である。 らせん水車の変形例７を示す図である。 らせん水車の変形例８を示す図である。 変形例９の水力発電システムの概略構成図である。 変形例１０の水力発電システムの概略構成図である。 変形例１１の水力発電装置を示す図である。 変形例１２の水力発電装置を示す図である。 変形例１３の水力発電装置を示す図である。 変形例１３の水力発電装置の上流側の側面を示す図である。 変形例１３の水力発電装置の下流側の側面を示す図である。 一体的に形成されたらせん水車と樋を示す図である。 変形例１４の水力発電装置の上流側の端部を示す図（その１）である。 変形例１４の水力発電装置の上流側の端部を示す図（その２）である。 変形例１４の水力発電装置の上流側の端部を示す図（その３）である。 変形例１４の水力発電装置の下流側の端部を示す図である。

　以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

　図１を参照して、水力発電装置１０は、らせん水車１２と、らせん水車を囲うフレーム１４とを備える。らせん水車１２は、フレーム１４内で回転する。らせん水車１２の回転によって得られた電力は、導線１６を介して例えばインバータ１８に伝えられる。インバータ１８は、電流を整流し、照明等の電気機器に電力を供給する。

　らせん水車１２は、１０～２０度程度の適度な傾斜を有する開放水路に設置される。らせん水車１２は、軸心程度まで水没するように設置される。水面が中空軸３２の上端より高い位置にある場合、水面が軸を乗り越えるために抵抗となる一方、水面が軸心よりも著しく低いと、らせん水車１２が受ける有効な水量が減少するため十分な発電量が得られないためである。傾斜がほとんどない水路にらせん水車１２を設置する場合は、軸をフレームの底面に対して１０～２０度程度傾斜させてもよい。

　図２を参照して、らせん水車１２についてさらに説明する。らせん水車１２は、固定軸２０と、らせん翼３０と、中空軸３２と、発電機４０と、変速機５０とを備える。

　固定軸２０は、回転不能にフレーム１４に固定され、中空軸３２を軸方向に貫通する。らせん翼３０は、中空軸３２の外周面に設けられる。中空軸３２は、円筒状の外径を有する。中空軸３２は、らせん翼３０に向かう水流によって回転するように、固定軸２０により回転可能に支持される。固定軸２０と中空軸３２との間には、中空軸３２の上流側端部、中間部および下流側端部のそれぞれにおいて、軸受３４，３５，３６が設けられる。軸受３４，３６は、一例として、片側接触シール付軸受である。シールが外側になるように、軸受３４，３６が設けられる。なお、軸受の種類は片側接触シール付軸受に限定されない。シールを軸受の両側に設けてもよい。その他の種類の軸受を設けてもよい。

　中空軸３２の上流側端部の開口は、蓋部材３７により封止される。同様に、中空軸３２の下流側端部の開口は、蓋部材３８により封止される。

　発電機４０は、中空軸３２の内部に設けられる。発電機４０は、固定軸２０に回転可能に支持され、かつ変速機５０の出力側に連結されたロータ４２と、固定軸２０に固定されたステータ４４とを含む。発電機４０は、アウターロータ型の発電機である。発電機４０は、ロータ４２が回転することにより発電する。発電機４０により発生された電力は、導線１６を介してインバータ１８に供給される。

　変速機５０は、中空軸３２の内部において、中空軸３２の上流側端部と発電機４０との間に設けられ、中空軸３２からの駆動力を発電機４０のロータ４２に伝達する。変速機５０の入力側は、中空軸３２に連結される。本実施の形態において、変速機５０の変速比は１よりも小さい。すなわち、変速機５０は、中空軸３２の回転速度を増速して発電機４０に伝達する。変速比は１以上であってもよい。また、変速比は変更可能であってもよい。変速比を変更可能にすれば、たとえば水量の変化に起因してらせん水車１２の回転速度が変化しても、最も効率のよい速度で発電機４０を駆動することができる。

　本実施の形態に係る水力発電装置１０においては、発電機４０と変速機５０とが中空軸３２の内部に収められているため、水力発電装置１０の大きさを、中空軸３２の大きさと同等にできる。特に、水力発電装置１０の長さを、中空軸３２の長さと同等にできる。その結果、水力発電装置１０を小型化できる。

　また、中空軸３２を支持する軸と、発電機４０を支持する軸とに共通の固定軸２０が用いられるため、水力発電装置１０の構成を簡素化できる。

　図３を参照して、変速機５０についてさらに説明する。変速機５０は、第１遊星歯車５１と、第２遊星歯車５２とを含む。第１遊星歯車５１のサンギヤ５１Ｓならびに第２遊星歯車５２のサンギヤ５２Ｓは、固定軸２０に回転不能に固定される。第１遊星歯車５１のキャリア５１Ｃは、中空軸３２に連結される。第１遊星歯車５１のプラネットギヤ５１Ｐは、サンギヤ５１Ｓと第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒとの間に設けられ、第２遊星歯車５２のプラネットギヤ５２Ｐは、サンギヤ５２Ｓと第２遊星歯車５２のリングギヤ５２Ｒとの間に設けられる。プラネットギヤ５１Ｐ、プラネットギヤ５２Ｐは、それぞれキャリア５１Ｃ、キャリア５２Ｃに連結される。第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒは、第２遊星歯車５２のキャリア５２Ｃに連結される。第２遊星歯車５２のリングギヤ５２Ｒは、発電機４０のロータ４２に連結される。

　複数の遊星歯車を設けることにより、中空軸３２の回転速度を大きく増速または減速させることができる。なお、第２遊星歯車５２を設けずに、第１遊星歯車５１のみを設け、第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒを発電機４０のロータ４２に連結するようにしてもよい。また、３つ以上の遊星歯車を図３に示す構成と同様の態様で連結するようにしてもよい。

　遊星歯車を用いて変速機５０を構成することにより、変速機５０の軸心と中空軸３２の軸心とを同じにできる。そのため、らせん水車１２の外径を大きくしなくても、中空軸３２の内部に変速機５０を収めることができる。したがって、水力発電装置１０を小型化できる。

　なお、遊星歯車の代わりに、トラクションドライブを用いて変速機５０を構成してもよい。この場合、複数のトラクションドライブを繋いで変速機５０を構成してもよい。滑らかな回転を特徴とするトラクションドライブを用いることにより、回転振動を低減できる。

　［変形例１］
　図４を参照して、変形例１について説明する。変形例１は、前述の実施例と比較して、中空軸３２の上流側端部の開口を封止する蓋部材６０Ａと、中空軸３２の下流側端部の開口を封止する蓋部材６０Ｂとが異なる。

　本変形例１において、蓋部材６０Ａは、中空軸３２の上流側端部の外径よりも広い範囲で中空軸３２の上流側端部を封止する。図４に示すように、蓋部材６０Ａの内径は中空軸３２の外径と同じまたは略同じであり、蓋部材６０Ａは中空軸３２の上流側端部を覆うように、その内周面において、中空軸３２の外周面と対向する。

　一方、蓋部材６０Ｂは、中空軸３２の下流側端部の外径よりも狭い範囲で中空軸３２の下流側端部を封止する。図４に示すように、蓋部材６０Ｂの外径は中空軸３２の内径と同じまたは略同じであり、蓋部材６０Ｂの外周面は、中空軸３２の内周面と対向する。すなわち、中空軸３２が蓋部材６０Ｂを覆うように、蓋部材６０Ｂが中空軸３２の内側にはめ込まれる。

　このようにすれば、水流の下流側に向かって、中空軸３２と蓋部材６０Ａとの隙間、および中空軸３２と蓋部材６０Ｂとの隙間が形成される。言い換えると、水流の上流側に向かう隙間が形成されない。したがって、中空軸３２内部へ水を浸入し難くできる。

　［変形例２］
　図５を参照して、変形例２について説明する。変形例２は、前述の実施例と比較して、中空軸３２の上流側端部において、固定軸２０と中空軸３２との間にオイルシール７０が設けられた点で相違する。

　変形例２においても蓋部材６０Ａ，６０Ｂが用いられているが、蓋部材６０Ａ，６０Ｂの代わりに、図２に示す蓋部材３７，３８を用いてもよい。

　図５に示すように、オイルシール７０は、中空軸３２の上流側端部のみにおいて設けられる。中空軸３２の下流側端部には、オイルシール７０は設けられず、片側接触シール付軸受３６のみが設けられる。

　この構成によれば、発電機４０および変速機５０に近い上流側端部では、摩擦抵抗が増大するものの、防水性に優れたオイルシールによって発電機４０および変速機５０付近への水の浸入を防ぐことができる。一方、発電機４０および変速機５０から遠い下流側端部では、接触シール付軸受３６によってある程度の水の浸入を防ぎつつも、防水性を低下させることによって摩擦抵抗を小さくすることができる。

　［変形例３］
　図６Ａおよび図６Ｂに示すように、らせん翼３０の表面に摩擦係数を低下させる撥水処理を施してもよい。

　図６Ａを参照して、らせん翼３０の表面は撥水性を有する膜７１で被膜されている。そのため、らせん翼３０と水との摩擦抵抗を低減することが可能となる。らせん翼３０の表面に施される被膜処理としては、撥水性に優れるフッ素樹脂やシリコーン樹脂などの樹脂材料による膜を形成する樹脂コーティング処理を含む。これらの被膜処理は、らせん翼３０に樹脂材料をスプレー塗装、ディッピング、刷毛塗りすることにより行なわれる。たとえば、らせん翼３０を金属等で製作した場合に行なわれる塗装の際に、ＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene）粉末を混合した塗料で、らせん翼３０を塗装して膜７１を形成してもよい。

　また、図６Ｂを参照して、らせん翼３０の表面に撥水性を発現する微細な凹凸形状を形成させてもよい。具体的には、フラクタル面のような微細な凹凸を多数有する表面形状とすることで、より優れた撥水性を得ることができる。このような微細凹凸形状は、たとえば、らせん翼３０の表面に撥水性を有する膜７２として上述したような樹脂コーティング膜を形成してから、樹脂コーティング膜をプラズマ照射によりエッチングすることで実現することができる。

　あるいは、上述したような樹脂材料によるコーティング処理以外にも、らせん翼３０の表面にＤＬＣ膜を形成する被膜処理を施してもよい。ＤＬＣ膜は、撥水性を有するとともに、硬度が高いことから、水や砂等の異物の衝突に対して、優れた耐磨耗性、耐久性を発揮する。したがって、らせん翼３０のメンテナンス周期を長くすることもできる。

　上述したような撥水処理により、水とらせん翼３０との摩擦抵抗が低減されるため、水のエネルギー損失が低減される。結果として、らせん水車を効率よく回転させることができ、発電効率が向上する。

　［変形例４］
　図７に示すように、遊星歯車５１（５２）の表面に摩擦係数を低下させる被膜処理を施してもよい。

　遊星歯車５１（５２）の表面に形成された膜７３により、金属同士が直接接触することを防ぐことができるため、摩擦による遊星歯車の損傷を軽減することができる。なお、当該被膜処理は、遊星歯車のサンギヤ、プラネットギヤ、リングギヤの全ての表面に施してもよいが、少なくともプラネットギヤの表面に施しておけばよい。これは、サンギヤとリングギヤとが当該被膜処理が施されていない場合であっても、金属同士が直接接触することはないためである。プラネットギヤのみに被膜処理を施す場合には、すべてのギヤに被膜処理を施す場合と比較して、工数の低減およびコストの低減を図ることができる。

　被膜処理としては、潤滑性、低摩擦性に優れるＤＬＣコーティング処理が好適である。油膜が破断して、歯車の歯面が油膜で分離されなくなった場合でも、歯面は、低摩擦性に優れるＤＬＣ膜を介した接触となるため、歯面の損傷の軽減効果をより高めることができる。また、被膜処理は、摩擦係数の小さいＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene）などのフッ素樹脂コーティングや、シリコーン樹脂コーティングであってもよい。
［変形例５］
　軸受に耐腐食性を有する材料を用いてもよい。図８に示すように、固定軸２０と中空軸３２との間には、中空軸３２の上流側端部には軸受３４Ａ、中央部には軸受３４Ｂ、下流側端部には軸受３４Ｃが設けられる。軸受３４Ａ～３４Ｃは、固定軸２０に対して中空軸３２を回転可能に支持する。軸受３４Ａおよび３４Ｃは、一例として、片側接触シール付軸受である。シールが外側になるように、軸受３４Ａおよび３４Ｃが設けられる。なお、軸受の種類は片側接触シール付軸受に限定されない。シールを軸受の両側に設けてもよい。その他の種類の軸受を設けてもよい。

　軸受３４Ａ～３４Ｃには、水が中空軸３２内部に浸入した場合を想定して、耐腐食性を有する材料が用いられている。

　外周にらせん翼３０を有する中空軸３２は、軸受３４Ａ～３４Ｃにより固定軸２０に対して回転可能に支持されることで、滑らかに回転することができる。しかしながら、らせん水車１２は、軸心程度まで水没するように設置されていることから、水が中空軸３２の内部に浸入する可能性がある。水が中空軸３２に浸入すると、軸受３４Ａ～３４Ｃは水が付着することにより腐食する恐れがある。すなわち、軸受３４Ａ～３４Ｃが、一般的な低合金鋼等からなる場合には、軸受３４Ａ～３４Ｃが錆び付いてしまう。したがって、軸受３４Ａ～３４Ｃの機能が損なわれるため、中空軸３２は滑らかに回転することができなくなる。

　そこで、軸受３４Ａ～３４Ｃには、耐腐食性を有する材料が用いられる。軸受３４Ａ～３４Ｃとしては、たとえば、保守性、互換性に優れる転がり軸受である。

　図９は、軸受３４Ａ～３４Ｃの構成の一例を示す概略断面図である。ここでは、軸受３４Ａ～３４Ｃが、深溝玉軸受である場合について説明する。なお、軸受３４Ａおよび軸受３４Ｃに設けられているシール部分については図示を省略する。

　図９を参照して、軸受３４Ａ～３４Ｃは、環状の外輪８２と、外輪８２の内側に配置された環状の内輪８３と、外輪８２と内輪８３との間に配置され、円環状の保持器８４に保持された、転動体としての複数の玉８１とを備えている。外輪８２の内周面には外輪転走面が形成されており、内輪８３の外周面には内輪転走面が形成されている。そして、内輪転走面と外輪転走面とが互いに対向するように、外輪８２と内輪８３とが配置されている。さらに、複数の玉８１は、玉転走面（表面）において内輪転走面および外輪転走面に接触し、かつ保持器８４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、軸受３４Ａ～３４Ｃの外輪８２および内輪８３は、互いに相対的に回転可能となっている。

　中空軸３２内部に浸入した水による腐食を防ぐために、外輪８２および内輪８３とから構成される軌道輪は、材料としてステンレス鋼が用いられる。なお、複数の玉８１や保持器８４等の部材についても、材料としてステンレス鋼が用いられてもよい。これにより、軸受３４Ａ～３４Ｃの耐腐食性をより向上させることができる。ステンレス鋼としては、たとえば、ＳＵＳ４４０Ｃを用いることができる。

　複数の玉８１は、耐腐食性をより向上させるために、材料として窒化ケイ素が用いられてもよい。なお、軸受３４Ａ～３４Ｃのその他の部材についても、窒化ケイ素が用いられてもよい。さらに、軸受３４Ａ～３４Ｃは、軌道輪がステンレス鋼からなり、複数の玉８１が窒化ケイ素からなるハイブリッド軸受であってもよい。このように、部分的に窒化ケイ素のようなセラミックス材料を適用することで、コストを抑えつつ、耐腐食効果を高めるとともに、軸受３４Ａ～３４Ｃの軽量化を図ることができる。

　上記では軸受３４Ａ～３４Ｃとして深溝玉軸受について説明したが、これに限られない。たとえば、軸受３４Ａ～３４Ｃは、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、その他の軸受であってもよい。

　上述したように、耐腐食性を有する軸受を適用することにより、中空軸内部に水が浸入していたとしても、らせん水車は滑らかな回転を維持することができる。したがって、水力発電装置は、発電効率を落とすことなく長期的に安定した発電が可能となる。
［変形例６］
　中空軸３２は、らせん翼３０が設けられた部位（らせん翼３０の上流側端部から下流側端部までの部位）において、下流ほど直径（外径）が減少するように形成されてもよい。

　図１０，１１に示す例では、らせん翼３０の下流側端部から、らせん翼３０のピッチ１つ分までの範囲において、その範囲よりも上流側の部位よりも直径が減少するように、中空軸３２が形成される。らせん翼３０の下流側端部から、中空軸３２の下流側端部までの部位（図１１において軸受３６の外周と当接する部位）においても、直径が減少される。

　図１１に示す例では、直径が段階的に（不連続に）減少される。らせん翼３０の下流側端部から、らせん翼３０のピッチ１つ分よりも長い範囲において、直径が減少するように、中空軸３２を形成してもよい。

　図１２に、らせん水車１２を上流側から見た（図１０において矢印Ａで示す方向）側面図を示し、図１３に、らせん水車１２を下流側から見た（図１０において矢印Ｂで示す方向）側面図を示す。図１２，１３においては、簡略化のためらせん翼３０を省略し、フレーム１４と中空軸３２のみを示す。図１２と図１３との対比から明らかなように、直径（外径）が短くされた部位においては、フレーム１４と中空軸３２との隙間、すなわち水が流れる空間が増大する。したがって、水の出口付近では、水に対する抵抗を下げ、流速の低下量を小さくできる。よって、発電効率を向上できる。

　［変形例７］
　図１４を参照して、変形例７について説明する。変形例７は、前述の変形例６と比較して、直径が連続的に減少される点で相違する。図１４に示す例では、発電機４０の下流側端部に設けられた軸受３５から、らせん翼３０の下流側端部までの範囲において、その範囲よりも上流側の部位より直径（外径）が減少するように中空軸３２が形成される。このようにすれば、らせん翼３０と中空軸３２との接合を容易にできる。

　［変形例８］
　図１５を参照して、変形例８について説明する。変形例８は、前述の変形例６と比較して、発電機４０よりも下流の部位において直径（外径）が減少される点で相違する。図１５に示す例では、発電機４０の下流側端部に設けられた軸受３５よりも下流の部位の直径が、それよりも上流の部位の直径よりも小さくされる。このようにすれば、水の一部が中空軸３２を乗り越える際の抵抗を低減することもできる。
［変形例９］
　らせん水車１２の回転抵抗が増大したことを、らせん水車１２に向かう水量に応じて定まる正常時の回転速度と、らせん水車１２の実際の回転速度とを比較して判断するようにしてもよい。ただし、発電機４０が発電していない状態であれば、水量とらせん水車１２の回転速度の間には特定の関係があるが、発電機４０が発電した状態では、発電機４０が抵抗となって異常でなくてもらせん水車１２の回転速度が変動する。そのため、らせん水車１２の回転状態を判断するに際し、発電機４０による負荷（抵抗）、すなわち発電機４０から出力される電力が考慮される。

　上記の機能を実現すべく、図１６に示すように、水力発電装置１０は、水位センサ６１と、電圧センサ６２Ａと、電流センサ６２Ｂと、回転速度センサ６３と、データロガー６４とをさらに備える。水力発電システムは、水力発電装置１０に加えて、水力発電装置１０の監視装置６６をさらに備える。

　水位センサ６１は、水路の水量を検出する。より具体的には、水位センサ６１は、水量を表す値として、水位を検出する。本来は水量を直接測定することが望ましいが、水路の水量を測定することは困難であるから、水量の代わりに、水量と相関性がある水位が検出される。なお、可能であれば、水量を直接検出するようにしてもよい。

　特に、水車を設置した水路が、既存の農業用水路等に、らせん水車１２専用のバイパスを設けて形成された水路である場合、らせん水車１２よりも下流で水位を測定すると、水位の低下が水車の回転速度の低下によるものか水路全体の水量の減少によるものが区別できないため、水位はらせん水車１２よりも上流で検出される。

　電圧センサ６２Ａは、インバータ１８で調整された電力の電圧を検出する。同様に、電流センサ６２Ｂは、インバータ１８で調整された電力の電流を検出する。検出された電圧および電流から、インバータ１８から電気が供給される電気機器等の負荷、要するに、発電機４０から供給される電力が求められる。

　回転速度センサ６３は、らせん水車１２の回転速度を検出する。らせん水車１２の回転速度を検出する位置は、特定の位置に限定されない。本実施の形態においては、フレーム１４に固定した回転速度センサ６３により、らせん水車１２の軸の外径面において回転速度が検出されるが、らせん水車１２の中空軸３２の内部において回転速度センサ６３を設けてもよい。

　データロガー６４は、水位センサ６１、電圧センサ６２Ａ、電流センサ６２Ｂ、回転速度センサ６３の検出結果を送信する。データロガー６４は、水位、電圧、電流および回転速度を示すデータを収集し、有線もしくは無線の送信回路を経由して、らせん水車１２から離れた場所に設置された監視装置６６に送信する。送信回路には、専用のケーブルのほか、有線の電話回線や携帯電話回線を用いることもできる。

　監視装置６６は、データロガー６４から水位センサ６１、電圧センサ６２Ａ、電流センサ６２Ｂ、回転速度センサ６３の検出結果を受信し、水路の水量、発電機４０から供給される電力、および、らせん水車１２の回転速度に応じて警報を発する。

　一例として、各水位（水量）に対する正常時の回転速度と、発電機４０から供給される電力による回転速度の変動量とが、実験およびシミュレーションなどの結果に応じて開発者により予め求められる。らせん水車１２の回転速度の検出値が、各水位に対する正常時の回転速度よりも、発電機４０から供給される電力による回転速度の変動量を超えて低下した場合、ごみの堆積により回転抵抗が増加したと考えられる。この場合、警告音、音声、光、警告文の表示等の種々の手法により警報が発せられる。たとえば、サイレン、回転灯、モニタ（ディスプレイ）などが用いられる。なお、警報の報知方法はこれらに限定されない。警報を受けた作業者は、らせん水車１２からごみを除去するなどの対策を取ることができる。

　以上のように、本実施の形態においては、らせん水車１２の状態を解析するための情報として、水路の水量、発電機４０から供給される電力、ならびにらせん水車１２の回転速度を、らせん水車１２が設置された場所から離れた場所に伝達することができる。

　［変形例１０］
　以下、図１７を参照して、変形例１０について説明する。変形例１０は、回転速度センサは設けられず、らせん水車１２よりも上流に設けられた水位センサ６１Ａに加えて、らせん水車１２よりも下流に水位センサ６１Ｂが設けられている点で、前述の変形例９と相違する。

　さらに、変形例１０においては、らせん水車１２の回転速度が低下し、らせん水車１２が水の流れを妨げると、らせん水車１２よりも上流で水位が上昇し、下流で水位が降下することに着目し、上流および下流の各々の点での通常状態からの水位の変化と、上流の水位と下流の水位との差とから、らせん水車１２の回転状態（たとえば回転速度）が推定される点で、前述の変形例９と相違する。

　水位センサ６１Ａは、らせん水車１２よりも上流の水量を検出する。前述の変形例９と同様に、水量を表す値として水位が検出される。水位センサ６１Ｂは、らせん水車１２よりも下流の水量を検出する。水位センサ６１Ａと同様に、水量を表す値として水位が検出される。水量そのものを検出するようにしてもよい。

　水位センサ６１Ｂは、らせん水車１２の下流において、らせん水車１２の端部の水位を検出する。たとえば、既存の農業用水路にらせん水車１２を設置する場合、らせん水車１２の幅よりも水路の幅が大きいため、らせん水車１２を通過しないで流れる水もある。この場合、上流の水量と、下流の水量とは略同じであるため、らせん水車１２の下流においては、らせん水車１２の近傍のみにおいて、水位が上流よりも低下し得る。したがって、特に、既存の農業用水路にらせん水車１２を設置する場合、らせん水車１２の下流において、らせん水車１２の端部の水位を検出することが望ましい。

　ただし、らせん水車１２の端部の水位を検出する場合は、らせん水車１２の回転に伴って発生する波により水位が大きく変動し得る。よって、所定時間における水位の平均値を求めることが望ましい。

　なお、らせん水車１２を設置するために設けられた専用の水路に、らせん水車１２を設けてもよい。この場合、特に、らせん水車１２の幅と水路の幅とが略同じであれば、らせん水車１２の回転速度が低下してらせん水車１２が水の流れを妨げると、らせん水車１２よりも上流の水位が上昇し、下流の水位は降下する。そのため、水位の測定が容易となる。よって、らせん水車１２よりも下流において、らせん水車１２の端部以外の位置における水位を検出してもよい。

　変形例１０において、データロガー６５は、水位センサ６１Ａ，６１Ｂ、電圧センサ６２Ａ、電流センサ６２Ｂの検出結果を送信する。データロガー６５は、水位、電圧および電流を示すデータを収集し、有線もしくは無線の送信回路を経由して、らせん水車１２から離れた場所に設置された監視装置６７に送信する。

　監視装置６７は、データロガー６５から水位センサ６１Ａ，６１Ｂ、電圧センサ６２Ａ、電流センサ６２Ｂの検出結果を受信し、らせん水車１２よりも上流の水量、らせん水車１２よりも下流の水量、および、発電機４０から供給される電力に応じて警報を発する。

　一例として、らせん水車１２よりも上流の各水位（水量）に対する正常時の回転速度と、発電機４０から供給される電力による回転速度の変動量とが、実験およびシミュレーションなどの結果に応じて開発者により予め求められる。

　さらに、実験およびシミュレーションなどの結果に応じて開発者により予め求められたマップに従って、上流および下流の各々の点での通常状態（たとえばごみを除去した直後などの任意の状態）からの水位の変化と、上流の水位と下流の水位との差とから、らせん水車１２の回転（たとえば回転速度）が推定される。水位の変化、および、上流の水位と下流の水位との差のうちの、いずれか一方のみを用いるようにしてもよい。

　らせん水車１２の回転速度の推定値が、各水位に対する正常時の回転速度よりも、発電機４０から供給される電力による回転速度の変動量を超えて低下した場合、前述した変形例９と同様の手法を用いて警報が発せられる。

　回転速度の代わりにもしくは加えて発電効率を推定し、らせん水車１２よりも上流の水量等から予め求められた正常時の発電効率と比較するようにしてもよい。この場合、正常時の発電効率と発電効率の推定値との差がしきい値以上になると、監視装置６７が警報を発するようにしてもよい。

　以上のように、変形例１０においては、らせん水車１２の状態を解析するための情報として、らせん水車１２よりも上流の水量、らせん水車１２よりも下流の水量、ならびに発電機４０から供給される電力を、らせん水車１２が設置された場所から離れた場所に伝達することができる。

　［変形例１１］
　図１８に示すように、変速機５０を、中空軸３２の内部において、中空軸３２の下流側端部と発電機４０との間に設けてもよい。

　変速機５０は、油浴潤滑されてもよい。変速機５０は、最も上流に位置する遊星歯車５２の歯面の下端まで油浴潤滑され得る。変形例１１においては、変速機５０は、遊星歯車５２のリングギヤ５２Ｒの歯面の下端まで油浴潤滑される。したがって、リングギヤ５２Ｒの歯面の下端が、油面と同じまたは略同じ高さに位置する。

　このように、変速機５０を潤滑するために液状の潤滑油を用いれば、変速機５０の付近に潤滑油を溜めることができる。よって、変速機５０の各部がはね掛けによって潤滑され、変速機５０を好適に潤滑できる。変速機５０が十分な量の潤滑油で潤滑されるので、潤滑不良になりにくく長期間の安定した稼動が可能となる。

　変速機５０は、生分解性の潤滑油により油浴潤滑される。一例として、菜種油、大豆油、コーン油、ごま油などの植物油が潤滑油として用いられる。植物油は熱分解による劣化が生じやすいものの、水力発電装置５０の中空軸３２の内部は水流によって低温に保たれるため、潤滑油は分解し難い。

　一般的に、植物油は極性基を持ち潤滑面に付着して油性を向上させる。ここで、本実施の形態において、らせん水車１２は低速で回転し、その結果、変速機５０の各回転要素も低速で回転するため、流体潤滑膜は生じ難い。したがって、油性の高い植物油は本実施の形態における用途に好適である。

　天然の植物油のほかに、生分解性の高い潤滑油として、合成油である脂肪酸エステル系やポリエーテル系の潤滑油を用いるようにしてもよい。これらの生分解性合成油は、植物油より品質が安定している。

　中空軸３２の下端からの潤滑油の漏洩は、片側接触シール付転がり軸受３６によって妨げられる。オイルシールを設けるようにしてもよい。本実施の形態においては、生分解性潤滑油が用いられるため、仮に潤滑油が漏洩したとしても、潤滑油は自然界で分解される。

　中空軸３２を支持する３つの軸受３４，３５，３６のうち、最も下流に位置する軸受３６は、変速機５０を潤滑するための潤滑油で油浴潤滑される。一方、最も上流に位置する軸受３４および中央の軸受３５は、グリースによって潤滑される。

　［変形例１２］
　図１９を参照して、変形例１２について説明する。変形例１２は、前述の変形例１１と比較して、中空軸３２の上流側端部の開口を封止する蓋部材６０Ａと、中空軸３２の下流側端部の開口を封止する蓋部材６０Ｂとが異なる。さらに、変形例１２は、前述の実施例と比較して、中空軸３２の下端部、すなわち、変速機５０よりも下流において、固定軸２０と中空軸３２との間、より具体的には固定軸２０と蓋部材６０Ｂとの間にオイルシール７０が設けられた点で相違する。

　変形例１２において、蓋部材６０Ａは、中空軸３２の上流側端部の外径よりも広い範囲で中空軸３２の上流側端部を封止する。図１９に示すように、蓋部材６０Ａの内径は中空軸３２の外径と同じまたは略同じであり、蓋部材６０Ａは中空軸３２の上流側端部を覆うように、その内周面において、中空軸３２の外周面と接触する。

　一方、蓋部材６０Ｂは、中空軸３２の下流側端部の外径よりも狭い範囲で中空軸３２の下流側端部を封止する。図１９に示すように、蓋部材６０Ｂの外径は中空軸３２の内径と同じまたは略同じであり、蓋部材６０Ｂの外周面は、中空軸３２の内周面と接触する。すなわち、中空軸３２が蓋部材６０Ｂを覆うように、蓋部材６０Ｂが中空軸３２の内側にはめ込まれる。

　このようにすれば、水流の下流側に向かって、中空軸３２と蓋部材６０Ａとの隙間、および中空軸３２と蓋部材６０Ｂとの隙間が形成される。言い換えると、水流の上流側に向かう隙間が形成されない。したがって、中空軸３２内部へ水を浸入し難くできる。

　オイルシール７０は、変速機５０の下流のみにおいて設けられる。中空軸３２の上流側端部には、オイルシール７０は設けられず、軸受３４のみが設けられる。

　この構成によれば、発電機４０および変速機５０に近い下流側端部では、摩擦抵抗が増大するものの、防水性に優れたオイルシールによって発電機４０および変速機５０付近への水の浸入を防ぐことができる。一方、発電機４０および変速機５０から遠い上流側端部では、摩擦抵抗を小さくすることができる。
［変形例１３］
　図２０を参照して、フレーム１４の上流側の側面１４Ａは、中空軸３２（らせん水車１２）の軸心よりも下方の部位のみを開口させてもよい。開口の一例を図２１に示す。この開口が取水口となり、らせん水車１２に向かって水が流入する。取水口から流入した水は、重力によってらせん翼３０を押してらせん水車１２を回転させつつ下流方向に移動する。この水は概ねらせん水車１２の軸心より下面に存在し続ける。

　もし、らせん水車１２の上半分に水が存在すると、上側の水は下側の水と逆の方向にらせん翼３０を押そうとする成分が存在するため、抵抗となり水力発電装置１０の効率を減少させる。したがって、らせん水車１２の上半分に水が流入することは好ましくない。よって、水路の水量は、らせん水車１２の上半分に水が流入しないように、らせん水車１２の大きさに対してある程度小さいことが好ましい。そのため、水量が安定した専用の水路が必要であった。

　しかしながら、フレーム１４の上流側の側面１４Ａにおいて、下半分のみを開口させることで、水量を勘案した専用の水路を設けなくても、らせん水車１２に適量の水を誘導することができる。例えば、例えば土嚢や砂利などで作った簡易的な水路であっても、らせん水車１２に適量の水を誘導することができる。そのため、発電効率を低下させることなく水力発電装置１０を運用できる。特に、発電機４０をらせん水車１２の内部に設けた構造であれば、災害時に既存の水路に設置して非常用発電機として利用することができる。

　らせん水車１２の最下端に達した水はフレーム１４の下流側に設けられた、排水口としての開口から流出する。上流側の開口面積より下流側の開口面積が狭いと、水が蓄積され得る。蓄積された水は、抵抗となって、水力発電装置１０の効率を低下させる恐れがあるので、下流側の側面１４Ｂの開口面積は上流側の側面１４Ａの開口面積より広い。変形例１３においては、図２２に示すように、下流側の側面１４Ｂは、下半分に加えて、上半分も開口されている。なお、図示しないが、開口の下側に水の流れを妨げるような構造物が存在するとごみが引っかかるので、上流側の側面１４Ａ、下流側の側面１４Ｂともに下側が完全に開口していることが望ましい。

　上述したように、水力発電装置１０は、既存の水路に設置してもよいが、土嚢や砂利などを利用して水が水車内に入りやすくなるように水を導いてもよい。既設の水路に水力発電装置１０を設置する場合、水面をらせん水車１２に適した高さに設定することが困難である。しかしながら、変形例１３の構成では所定量以上の水は流入しないので、らせん水車１２の上半分に流入した水による抵抗は発生しない。

　なお、水量がらせん水車１２に適さない既設の水路の場合、らせん水車１２の半径方向から水車内に水が流入する可能性があるものの、水車外径部の円筒状の樋をらせん翼３０の外周に沿って設置すれば側方からの水の流入を防止することができる。

　図２３に示すように、らせん翼３０の外径側の円筒状の樋１５を、らせん翼３０と一体に構成してもよい。もし、らせん翼３０と樋が別体であると、らせん翼３０が回転するにはらせん翼３０と樋との間にすきまがなければならない。しかしながら、水の一部はこのすきまを通過し、らせん水車１２の回転に寄与しない。そのため、水力発電装置１０の効率が低下する。

　また、水力発電装置１０を、非常時に既設水路で使用する場合、専用の水路ではないため、ごみや砂利の除去が不十分となり、ごみや砂利が水力発電装置１０内に流入し得る。らせん水車１２は他の水車形式よりもごみを許容するものの、らせん翼３０と樋のすきまとほぼ同じ大きさの異物が侵入し、すきまに異物が挟まると、らせん水車１２の回転が阻害され得る。

　しかしながら、図２３に示す構成では、らせん水車１２と樋１５を一体構造としたため、らせん翼３０と樋１５の間にすきまを設ける必要がない。そのため、らせん水車１２に向かって流入した水の位置エネルギーを無駄なく利用することができる。また、異物はらせん翼３０の形状に沿って下流へ流れるため、らせん水車１２の回転を阻害しない。

　フレーム１４の上流側の側面１４Ａに開けられた取水口の縁には、樋１５に向けて突出する突出部１４Ｃが設けられている。突出部１４Ｃによって、取水口から流入した水が外部に漏れることが防がれる。樋１５の上流側端部は可能な限り大きく開口していることが望ましい。そのため、樋１５の上流側端部には、内径側に向かった返しのような構造を設けないことが望ましい。

　上記のように既設水路への設置を可能にした構成は、水力発電装置１０を例えば災害用備蓄倉庫に収納しておき、災害で電力供給が不足した際に臨時に水力発電装置１０を設置するような事態に好適である。非常時用の水力発電装置１０は人力で運搬できることが望ましいが、小型であるため大出力は得られない。ここで得られる電力は最小限の照明や携帯電話など情報端末の充電に適し、あるいは１２Ｖの鉛蓄電池に充電して使用することが想定される。したがって、水力発電装置１０は１２Ｖの直流電力の出力やＵＳＢを用いた電力出力端子を備えることが望ましい。
［変形例１４］
　図２４を参照して、中空軸３２の軸方向における上流側の端面をハウジング（蓋）９０Ａによって封止し、端面とハウジング９０Ａとの間にＯリング９２を設けてもよい。図２４に示す例では、中空軸３２の端面に設けられたネジ穴９４に挿入されるボルト９６によって、中空軸３２とハウジング９０Ａとが固定される。図２４に示す例では、ネジ穴９４は、中空軸３２の軸方向における端部を貫通せず、Ｏリング９２よりも径方向において外側に設けられる。

　らせん水車１２は主に板金を用いて形成されるため、直径の公差は±１ｍｍ以上である。そのため、らせん水車１２の内径面あるいは外径面をＯリングを用いて密封することは難しい。さらに、らせん水車１２の内径面あるいは外径面でＯリングを使用すると、らせん水車１２の組立の際にＯリングを軸方向に移動させる距離が長くなり得る。そのため、組立性が悪くなる。

　しかしながら、図２４に示す例のように、中空軸３２の軸方向における端面でＯリング９２によりハウジング９０Ａの外径部からの水の浸入を防ぐ構造を採用することで、らせん水車１２の組み立て時にはＯリング９２を溝にはめ込むだけで済む。したがって、らせん水車１２の組立性を向上できる。

　図２４に示す例では、ハウジング９０Ａと固定軸２０との間に設けられた軸受の外径部、ならびに固定軸２０の外径部などからの水の浸入は、オイルシール９８により防がれる。オイルシール９８はシールリップ側からダストリップ側への漏えいを防ぐ構造であるため、図２４に示す例では、シールリップがダストリップよりも外側になるようにオイルシール９８が配置される。図２４に示す例のように、オイルシール９８を２重に使用し、オイルシール間にグリースを封入することで、封止効果が高まる。さらにグリースによりリップ部の潤滑性も向上する。そのため、らせん水車１２のトルク低減にも効果がある。
　らせん水車１２の端部の板厚が薄い場合、ネジ穴９４が貫通することもあり得る。この場合、図２５に示すように、ボルト９６の座面にシールワッシャ１００を挟みこみ、ネジ穴９４から中空軸３２の内部への水の浸入を防止するようにしてもよい。図２５に示す例では、ネジ穴９４は、Ｏリング９２よりも径方向において内側に設けられる。仮に、ネジ穴９４がＯリング９２よりも外径側にあると、ハウジング９０Ｂと中空軸３２との合わせ面の外径側から水が浸入し得るものの、ネジ穴９４をＯリング９２よりも内径側に設けることで、水の浸入をＯリング９２で防止することができる。

　図２６に示すように、中空軸３２の軸方向における上流側の端部において、中空軸３２を回転可能に支持するようにハウジング９０Ｃを構成してもよい。この場合、中空軸３２の内部に固定軸２０が設けられる。ハウジング９０Ｃがフレーム１４に固定される。

　図２６に示す例では、中空軸３２の端部に短い軸１０２が形成される。軸１０２をハウジング９０Ｃが支持することで、らせん水車１２がハウジング９０Ｃによって支持される。この構成では、らせん水車１２の上流部分において開口部を無くすことができる。そのため、中空軸３２内の水の浸入を好適に防止することができる。図２６に示す例では、中空軸３２とハウジング９０Ｃとの間に設けられるオイルシール９８の数は１つであってもよい。

　一方、中空軸３２の軸方向における下流側の端部は上流側の端部に比べて水が浸入し難いため、下流側の端部は上流側の端部に比べて簡素な構成であってもよい。図２７に示すように、下流側の軸方向における端部はフランジを有する構造として大きく開口させてもよい。図２７に示す例では、フランジにおいて中空軸３２とハウジング９０Ｄとを固定するとともに、Ｏリング９２によって防水性が与えられる。軸受部に設けられるオイルシールの数は１つであってもよい。

　１０　水力発電装置、１２　らせん水車、１４　フレーム、１４Ａ　上流側側面、１４Ｂ　下流側側面、１４Ｃ　突出部、１５　樋、１６　導線、１８　インバータ、２０　固定軸、３０　らせん翼、３２　中空軸、３４，３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３５，３６　軸受、３７，３８，６０Ａ，６０Ｂ　蓋部材、４０　発電機、４２　ロータ、４４　ステータ、５０　変速機、５１，５２　遊星歯車、５１Ｃ，５２Ｃ　キャリア、５１Ｓ，５２Ｓ　サンギヤ、５１Ｐ，５２Ｐ　プラネットギヤ、５１Ｒ，５２Ｒ　リングギヤ、６１，６１Ａ，６１Ｂ　水位センサ、６２Ａ　電圧センサ、６２Ｂ　電流センサ、６３　回転速度センサ、６４，６５　データロガー、６６，６７　監視装置、７０，９８　オイルシール、７１，７２，７３　膜、８１　玉、８２　外輪、８３　内輪、８４　保持器、９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ，９０Ｄ　ハウジング、９２　Ｏリング、９４　ネジ穴、９６　ボルト、１００　シールワッシャ、１０２　軸。

Claims (15)

1. 　外周にらせん翼が設けられ、前記らせん翼に向かう水流によって回転する中空軸と、
   　前記中空軸の内部に設けられた発電機と、
   　前記中空軸の内部に設けられ、前記中空軸からの駆動力を前記発電機に伝達する伝達部材とを備える、水力発電装置。
2. 　回転不能に固定され、前記中空軸を軸方向に貫通する固定軸をさらに備え、
   　前記発電機は、
   　前記伝達部材に連結されたロータと、
   　前記固定軸に固定されたステータとを含む、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 　前記中空軸の上流側端部の外径よりも広い範囲で前記中空軸の上流側端部を封止する第１の封止部材と、
   　前記中空軸の下流側端部の外径よりも狭い範囲で前記中空軸の下流側端部を封止する第２の封止部材とをさらに備える、請求項１に記載の水力発電装置。
4. 　前記らせん翼の表面には、摩擦係数を低下させる撥水処理が施されている、請求項１に記載の水力発電装置。
5. 　前記伝達部材の表面には、摩擦係数を低下させる被膜処理が施されている、請求項１に記載の水力発電装置。
6. 　前記中空軸を軸方向に貫通し、回転不能に固定された固定軸と、
   　前記固定軸に対して前記中空軸を回転可能に支持する軸受とをさらに備え、
   　前記軸受は、耐腐食性を有する、請求項１に記載の水力発電装置。
7. 　前記中空軸は、前記らせん翼が設けられた部位において、下流ほど直径が減少するように形成される、請求項１に記載の水力発電装置。
8. 　前記中空軸を備える水車が水路に設置され、
   　前記水路の水量を検出する第１の検出器と、
   　前記発電機から供給される電力を検出する第２の検出器と、
   　前記水車の回転速度を検出する第３の検出器と、
   　前記第１の検出器、前記第２の検出器および前記第３の検出器の検出結果を送信する送信機とを備える、請求項１に記載の水力発電装置。
9. 　前記中空軸を備える水車が水路に設置され、
   　前記水車よりも上流の水量および前記水車よりも下流の水量を検出する第１の検出器と、
   　前記発電機から供給される電力を検出する第２の検出器と、
   　前記第１の検出器および前記第２の検出器の検出結果を送信する送信機とを備える、請求項１に記載の水力発電装置。
10. 　前記伝達部材は、前記中空軸の内部において、前記中空軸の下流側端部と前記発電機との間に設けられる、請求項１に記載の水力発電装置。
11. 　前記中空軸よりも上流に設けられ、前記中空軸の軸心よりも下方の部位のみに取水口が設けられる枠部材をさらに備える、請求項１に記載の水力発電装置。
12. 　前記中空軸の軸方向における端面を封止する蓋部材と、
    　前記端面と前記蓋部材との間に設けられたＯリングとをさらに備える、請求項１に記載の水力発電装置。
13. 　前記中空軸と前記蓋部材とは、前記端面に設けられたネジ穴に挿入されるボルトによって連結され、
    　前記ネジ穴は、前記中空軸の軸方向における端部を貫通せず、前記Ｏリングよりも径方向において外側に設けられる、請求項１２に記載の水力発電装置。
14. 　前記中空軸と前記蓋部材とは、前記端面に設けられたネジ穴に挿入されるボルトによって連結され、
    　前記ネジ穴は、前記中空軸の軸方向における端部を貫通し、前記Ｏリングよりも径方向において内側に設けられ、
    　前記蓋部材と前記ボルトとの間にシールワッシャが挟み込まれる、請求項１２に記載の水力発電装置。
15. 　前記中空軸の軸方向における端面において、前記中空軸を回転可能に支持する蓋部材をさらに備える、請求項１に記載の水力発電装置。

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